1、我國壓力容器標準和ASME規(guī)范的比較分析黃安庭(杭州杭氧科技有限公司)摘要：本文主要從標準技術(shù)要求方面對我國壓力容器標準和ASME規(guī)范進行了對比分析，詳細描述和分析了兩個標準體系相關標準的主要差別和相互對應關系，旨在和有關人士共同探討如何深入理解和使用ASME規(guī)范。關鍵詞：壓力容器；標準；ASME規(guī)范；比較分析 美國ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范是由美國機械工程師學會(ASME)的鍋爐及壓力容器委員會(BPVC)制定的，是世界上應用最早的標準之一，現(xiàn)已被公認為世界上技術(shù)內(nèi)容最為完整、應用最為廣泛的壓力容器標準。 我國于1982年頒布了鍋爐壓力容器安全監(jiān)察暫行條例及實施細則，明確了勞動部作為政府的主

2、管部門，負責立法和管理工作。1985年正式發(fā)行的鋼制壓力容器設計規(guī)定標志著我國開始形成統(tǒng)一的壓力容器標準，1989年發(fā)行的GB 15089鋼制壓力容器標志著我國已開始形成以強制性標準GB 15089為核心的壓力容器標準體系框架，經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國的壓力容器標準體系在大多數(shù)領域內(nèi)都有與國外標準相對應的標準，技術(shù)內(nèi)容在總體上也達到了國際先進標準的水平。 為了使我國的壓力容器產(chǎn)品能順利進入國際市場，1984年蘭州石油化工機器廠首家取得ASME認證證書后，全國較有實力的壓力容器制造廠陸續(xù)取得ASME認證證書，現(xiàn)已有近百家企業(yè)通過ASME認證。但從總體上看，我國只有少數(shù)企業(yè)真正制造過ASME鋼印產(chǎn)品

3、，絕大多數(shù)企業(yè)僅僅處于證書階段。杭氧自1992年開始已制造了40多臺ASME鋼印產(chǎn)品，并已出口安裝在美國、加拿大等發(fā)達國家，同時也制造了大量的按ASME設計、制造、檢驗的壓力容器產(chǎn)品(不打ASME鋼印)。在杭氧剛開始設計、制造ASME產(chǎn)品時，絕大多數(shù)人(包括設計、制造、檢驗和營銷人員)對ASME規(guī)范不熟悉，由此產(chǎn)生一種畏難情緒，在一定程度上影響了ASME產(chǎn)品市場的進一步開拓。經(jīng)過近十年ASME產(chǎn)品的設計、制造，相關人員逐漸了解、熟悉并掌握了ASME規(guī)范。根據(jù)杭氧的實踐經(jīng)驗，現(xiàn)將我國的壓力容器標準與ASME規(guī)范進行比較、分析，以供有關人士參考。1 主要壓力容器標準的對應關系 我國的壓力容器標準分

4、類相對較細，基本上是按壓力容器類型及容器主體材料來分別制訂相應標準，如鋼制壓力容器、鋁制壓力容器、臥式容器、塔式容器、球形儲罐等。而ASME規(guī)范并不按容器類型分別制定相應的標準，只是在設計中引用不同的載荷規(guī)范，如設計壓力小于20MPa的選用ASME規(guī)范第卷第一分冊，設計壓力小于70MPa的選用ASME規(guī)范第卷第二分冊，設計壓力大于70MPa的選用ASME規(guī)范第卷第三分冊。兩者主要壓力容器標準的對應關系如表1。表1 主要壓力容器標準的對應關系我國主要壓力容器標準ASME規(guī)范(1)GB 150鋼制壓力容器(2)JB4734鋁制壓力容器(3)JB4745鈦制壓力容器第卷第一分冊JB4730鋼制壓力容

5、器-分析設計標準第卷第二分冊JB4708鋼制壓力容器焊接工藝評定第卷JB4730壓力容器無損檢測第V卷2 標準制、修訂 我國的壓力容器國家標準是由全國壓力容器標準化技術(shù)委員會負責編制、修訂工作，經(jīng)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局批準后頒發(fā)。相關行業(yè)標準是由各行業(yè)標準化委員會負責編制、修訂工作，經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委各部門審批、頒發(fā)。標準實施后，由各地安全監(jiān)察部門根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和相關標準的規(guī)定來控制、監(jiān)督壓力容器的設計、制造和檢驗各環(huán)節(jié)，保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全使用。各標準化委員會根據(jù)了解、收集的標準使用意見和建議，負責組織標準修訂工作，并經(jīng)原審批部門審批后頒發(fā)、實施。 ASME鍋爐及壓

6、力容器委員會(BPVC)定期召開會議，研究ASME規(guī)范的修訂工作，經(jīng)BPVC批準的規(guī)范修訂建議將提交美國國家標準協(xié)會(ANSl)，并在美國Mechanical Engineering 上發(fā)表，以公開征詢所有關心此問題人士的意見，修訂建議在規(guī)定的公開征詢意見期滿并經(jīng)ASME最終批準后，在每年12月31日出版的ASME規(guī)范增補中予以公布。規(guī)范修訂條款經(jīng)ASME批準后，可從增補所示出版日期起開始使用，除第卷A、B兩篇中的材料標準的修訂外，次年的7月1日成為強制性的要求，但在此之前簽訂的合同除外。材料標準的修訂由美國材料試驗學會(ASTM)和其他認可的國家機構(gòu)或國際機構(gòu)進行，ASME通常采納這些修訂。

7、但壓力容器制造廠家需要注意的是，凡使用相對于原要求有所放寬的修訂條款時，必須確信壓力容器安裝地的管轄機關對它們已經(jīng)認可，否則不得使用。3 設計思想和安全系數(shù) 壓力容器的基本設計思想是一次薄膜應力或最大直接應力不得超過許用應力。計算應力依據(jù)的理論是最大應力理論。各國壓力容器標準中都應用了這一設計思想，標準中公布的許用應力計人了安全系數(shù)，它比測定得到的性能值低是考慮到：(1)應力評估方法的復雜程度；(2)一定程度的應力集中及其類型； (3)材料一定程度的不均勻性；(4)幾何因素； (5)焊接接頭中存在的缺陷。各國標準中規(guī)定的安全系數(shù)有所不同，主要依據(jù)的是經(jīng)驗、試驗證據(jù)和理論評估，同時與其規(guī)定的材料

8、標準、計算方法、制造要求和檢驗要求相適應。 我國壓力容器標準與ASME規(guī)范所使用的安全系數(shù)差別見表2。表2 安全系數(shù)對比標 準材 料安全系數(shù)標 準材 料安全系數(shù)GBl50碳鋼、低合金鋼、高合金鋼3.0ASME規(guī)范 第卷第一分冊碳鋼、低合金鋼3.5高合金鋼 3.0 JB4732碳鋼、低合金鋼、高合金鋼2.6 ASME規(guī)范 第卷第二分冊碳鋼、低合金鋼、高合金鋼 3.0 4 焊接接頭系數(shù) 在ASME規(guī)范中焊接接頭系數(shù)僅取決于該焊接接頭型式和無損檢測程度，而與任何其他接頭的無損檢測程度無關，即一臺容器不同的接頭可以使用不同的焊接接頭系數(shù)，對A、B、C、D四類焊接接頭都規(guī)定了焊接接頭系數(shù)，同時允許采用降

9、低焊接接頭系數(shù)而免除無損檢測要求。 而在我國GB 150中，焊接接頭系數(shù)特指A、B類焊接接頭，不允許采用降低焊接接頭系數(shù)而免除無損檢測要求，產(chǎn)品制造完成后必須對A、B類接頭進行射線或超聲檢測。現(xiàn)以母材為鋼和鋁的焊接接頭為對象作一比較，見表3。 表3 焊接接頭系數(shù)對比 名稱接 頭 型 式無損檢測程度100檢測局部檢測無檢測我國標準雙面焊或相當于雙面焊全焊透的對接焊縫鋼鋁鋼 鋁鋼鋁1.00.850.900.850.800.85-單面焊對接焊縫(帶金屬墊板)0.90.800.850.800.700.80-ASME規(guī)范雙面焊或相當于雙面焊全焊透的對接焊接單面焊對接焊縫(帶金屬墊板)單面焊對接焊縫(不帶

10、金屬墊板)雙面滿角焊塔接接頭單面滿角焊塔接接頭(加塞焊)單面滿角焊塔接接頭(不加塞焊)1.00.9-0.750.80-0.700.650.600.550.500.45注：表中無損檢測，我國對鋼制壓力容器以射線和超聲檢測為準，對鋁制壓力容器以射線檢測為準；而ASME規(guī)范以射線檢測為準，確實無法進行射線檢測時允許用超聲檢測代之。表中所列鋁制壓力容器焊接接頭系數(shù)上限值指采用熔化極惰性氣體保護焊，下限值指非熔化極氣體保護焊。有關系數(shù)所允許的應用場合和具體接頭型式，請參見參考文獻1、2、4。5 強度計算 在壓力容器設計時，主要考慮了兩種失效理論：一是過量的彈性變形，包括基于彈性理論的彈性失穩(wěn)；另一個是由

11、于過量的彈性變形和塑性失穩(wěn)，即增量跨塌，設計時通常假定彈性失效。彈性失效是假定當材料已經(jīng)達到彈性極限時發(fā)生的失效，超過這一極限將會發(fā)生過量變形或斷裂破壞。對于金屬材料，彈性極限是以拉伸強度、屈服強度和斷裂強度三項來測定。測定彈性失效的三個通用理論是最大主應力理論、最大剪應力理論和變形能理論。各國壓力容器標準都應用了上述強度理論用于壓力容器的設計，但具體的計算公式卻存在著差異。現(xiàn)將我國GB150和ASME規(guī)范第卷第一分冊有關受內(nèi)壓時的設計計算公式作一比較，見表4。表4 設計計算公式比較 比較項目GBl50ASME第卷第一分冊圓筒形殼體=PcDi/(2tPc)t=PR(SE0.6P)，環(huán)向應力t=

12、PR(2SE+0.6P)，縱向應力環(huán)形殼體 =PcDi(4tPc) t=PR(2SE0.2P) 橢圓形封頭=PcDi/(2 t0.5Pc)，標準型=KPcDi/(2 t0.5Pc)，非標準型 t=PD(2SE0.2P) 碟形封頭=MPcRi/2 t0.5Pc)t=0885PL(SE0.1P)半球形封頭=QPcDi/(2 tPc)t=PLt(2SE0.2P)錐段和錐形封頭=PcDc/2 tPcCosat=PD2Cosa(SE0.6P)6 外壓圓筒加強圈的設置 加強圈可設置在容器的內(nèi)部或外部，應整圈圍繞在圓筒的圓周上，容器內(nèi)部的構(gòu)件如塔盤等，若設計成起加強作用時，也可作加強圈用。加強圈與圓筒之間可

13、采用連續(xù)或間接的焊接，當加強圈設置在容器外面時，加強圈每側(cè)間斷焊接的總長度應不少于圓筒外圓周長的12，當設置在容器里面時，應不少于圓筒內(nèi)周長的13。對于上述加強圈設置準則，我國壓力容器標準與ASME規(guī)范是一致的。ASME規(guī)范中規(guī)定每段填角焊縫的長度應不小于51mm，相鄰兩段之間的最大凈距為：外加強圈8t，內(nèi)加強圈12t，t為加強圈連接外殼體的壁厚。在符合ASME規(guī)范的有關條件時還允許加強圈一側(cè)填角焊縫為連續(xù)的焊接，另一側(cè)為間斷焊的焊接，焊接段的長度應不小于51mm，相鄰兩焊段間的最大凈距應為24t。而在我國壓力容器標準中，并未規(guī)定每段填角焊縫的長度，同時也未建議使用一側(cè)連續(xù)焊，而另一側(cè)為間斷焊

14、。7 開孔和開孔尺寸 我國GBl50規(guī)定殼體上的開孔應為圓形、橢圓形或長圓形，當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應不大于2.0，而ASME規(guī)范第卷第一分冊則允許孔的長徑與短徑之比大于2.0，但應增強短徑方向的補強以避免扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的過度變形，且形狀不僅限于圓形、橢圓形和長圓形，但其所有轉(zhuǎn)角應具有適當?shù)陌霃?。同時兩者在開孔尺寸的限制上存在著差異，見表5。表5 開孔尺寸的限制對比 對比項GBl50 ASME規(guī)范第卷第一分冊圓筒上開孔Di1500mm時，開孔最大直徑dDi2，且d520mm Di1520mm時，開孔最大直徑dDi2，且d508mm 開孔尺寸也可超出前面的限制，但需按大

15、開孔進行補強Di1500mm時，開孔最大直徑 dDi3，且d1000mmDi1520mm時，開孔最大直徑dDi3，且d1000mm凸形封頭dDi2 經(jīng)正確補強后開孔尺寸不加限制錐殼dDi3 8 焊工考試和管理 焊接壓力容器的焊工必須經(jīng)焊接技能評定或考試，取得焊工合格證后，才能在有效期內(nèi)擔任合格項目范圍內(nèi)的焊接工作。最新出版的鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則與ASME規(guī)范第卷在許多方面的要求是一致的，但也存在一些差別，見表6。表6 焊工考試和管理對比 項 目鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則ASME規(guī)范第卷焊工考試經(jīng)所在地市級(及以上)安全監(jiān)察機構(gòu)批準，報省級安全監(jiān)察機構(gòu)備案的焊工考試

16、委員會持有ASME認證證書的壓力容器制造廠考試(評定)內(nèi)容基本知識理論考試和焊接操作技能考試焊接操作技能考試 焊工合格證有效期三年，在合格項目有效期滿前3個月由焊工考委會安排復考或免考等事宜(50歲以上焊工不能免考)，中斷受監(jiān)察設備焊接6個月的需重考。未規(guī)定有效期限但焊工或焊接操作工某一焊接方法在6個月或更長時間內(nèi)沒有操作過，則他的該項資格被中止評定方法和檢驗項目對試件進行外觀檢查、射線透照、彎曲試驗對試件進行射線透照，或?qū)υ嚰M行彎曲試驗，或?qū)ζ涫状萎a(chǎn)品焊縫進行射線透照 合格證有效使用區(qū)域有效期內(nèi)的焊工合格證，在全國各地同等有效僅在負責考試（評定）的壓力容器制造廠內(nèi)有效9 產(chǎn)品試板 為了檢驗

17、產(chǎn)品焊接接頭和其他受壓元件的力學性能和彎曲性能，我國容規(guī)里明確規(guī)定壓力容器縱焊縫應制作焊接試板，制取試樣進行拉伸、冷彎和必要的沖擊試驗，凡屬下列情況之一的每臺壓力容器應制作產(chǎn)品焊接試板：(1)移動式壓力容器(批量生產(chǎn)的除外)；(2)設計壓力大于10MPa的壓力容器；(3)現(xiàn)場組焊的球形儲罐；(4)使用有色金屬制造的中、高壓容器或使用b大于等于540MPa的高強度鋼制造的壓力容器；(5)異種鋼(不同組別)焊接的壓力容器；(6)設計圖樣上或用戶要求按臺制作產(chǎn)品焊接試板的壓力容器；(7)GB 150中規(guī)定應每臺制作產(chǎn)品焊接試板的壓力容器。 而ASME規(guī)范第卷第一分冊對常規(guī)經(jīng)焊接工藝評定合格的不要求做

18、產(chǎn)品焊接試板，而下述情況則要求按規(guī)范規(guī)定制作產(chǎn)品焊接試板： (1)對于焊接接頭系數(shù)不大于0.8，以ASME規(guī)范給定的任一壓焊焊接方法(電阻焊除外)制作的接頭，在其容器或零件上此類焊縫應制作產(chǎn)品焊接試板，試樣可取自殼體本身或取自縱焊縫的延長部位，容器無縱焊縫時可取自容器相同材質(zhì)、相同厚度且按相同工藝焊制的試板，并裁取一件小截面拉伸試樣和兩件側(cè)彎試樣進行試驗。(2)若焊接工藝評定要求做焊縫及熱影響區(qū)沖擊試驗時，容器沖擊試板應從用于單臺或多臺容器幾爐鋼號中的某一爐鋼板上制取，對于A類接頭，試板在可能時應成為產(chǎn)品接頭端部的延長部分，以使試板焊接件盡可能接近于容器焊接接頭的質(zhì)量和形式。對于焊接工藝與A類

19、接頭不同的B類接頭，試板應在制造容器的相同焊接條件下焊接，使用同樣型式的設備，同樣的位置，同樣的焊接工藝，且焊接應與產(chǎn)品的焊接同時進行，或在即將開始焊接產(chǎn)品的時候進行。10 無損檢測 無損檢測方法對缺陷的探測、定位、測量、評定和評價不會破壞其以后的有用性和可用性，在壓力容器制造過程中，主要用于探測材料、焊縫及制造零件和組件的表面與內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)或外形的任何間斷或缺陷。我國GB 150和ASME規(guī)范第卷第一分冊對無損檢測人員資格、焊縫透照比例、評定要求等方面存在著一定差異，見表7。表7 無損檢測對比 項 目 GB 150ASME規(guī)范第卷 第一分冊人員資格要求必須經(jīng)過技術(shù)培訓，并按照“鍋爐壓力容器

20、無損檢測 人員資格鑒定考核規(guī)則”進行考試考核合格，獲得 “鍋爐壓力容器無 損檢測人員資格證”由持有ASME認證 證書的壓力容器制 造廠組織無損檢測人員的培訓、考試 和評定工作；或取 得ASNT無損檢測人員資格證 產(chǎn)品焊縫透照比例分類 100射線或超聲檢測局部射線或超聲檢測，探傷比例50(鐵素體鋼制低溫壓力容順)局部射線或超聲檢測，探傷比例20100射線檢測抽樣射線檢測，每152m焊縫作一處抽樣檢測，一處抽樣射線底片最小長度為150mm評定標準100射線檢測，不低于級為合格局部射線檢測，不低于級為合格100超聲檢測，I級為合格局部超聲檢測，不低于級為合格ASME規(guī)范不劃分I、級片，100射線檢測和抽樣射線檢測對氣孑L、夾渣和圓形顯示的控制有所不同，總體評片標準比我國的要低11 焊接返修 我國GBl50規(guī)定焊接返修必須由持證焊工按評定合格的工藝進行，焊縫同一部位的返修次數(shù)不宜超過兩次，如超過兩次，返修前均應經(jīng)壓力容器制造廠技術(shù)總負責人批準，返修次數(shù)、部位和返修情況應記人容器的質(zhì)量證明書。而ASME規(guī)范對同一部位的返修次數(shù)未作規(guī)定，但每次焊接返修前，其返修方法應經(jīng)授權(quán)檢驗師(AI)認可。12 壓力試驗 制造完工的壓力容器應按圖樣要求進行壓力試驗(液壓試驗或氣壓試驗)，壓力試驗必須用兩個量程相同并經(jīng)過校驗的壓力表。壓力表的量程一般應在試驗壓力的2倍左右，